基于科學(xué)史和模型構(gòu)建的“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”教學(xué)設(shè)計(jì)

吳先亮 譚萬(wàn)梅

摘要本節(jié)教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生分析科學(xué)史資料，得出“RNA是信使物質(zhì)的結(jié)論”；引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比DNA和RNA的異同，明確RNA作為信使物質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；引導(dǎo)學(xué)生以小組構(gòu)建和展示轉(zhuǎn)錄過(guò)程的模型，發(fā)展合作探究能力；結(jié)合轉(zhuǎn)錄過(guò)程的視頻進(jìn)行小結(jié)，落實(shí)重要概念。

關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)錄 科學(xué)史 模型構(gòu)建 教學(xué)設(shè)計(jì) 高中生物學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

生物科學(xué)史是前人對(duì)生命世界探索的智慧積淀，對(duì)它的深度學(xué)習(xí)能夠促使學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，提升科學(xué)思維，感悟科學(xué)精神。本節(jié)課的教學(xué)中，筆者做了如下嘗試：以科學(xué)史資料作為支架，設(shè)置層層遞進(jìn)的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生分析科學(xué)史資料，推導(dǎo)并認(rèn)同RNA充當(dāng)信使。高中生物學(xué)課程中模型建構(gòu)活動(dòng)的主要價(jià)值是讓學(xué)生通過(guò)嘗試建立模型，體驗(yàn)建立模型中的思維過(guò)程，領(lǐng)悟模型方法，并獲得或鞏固有關(guān)生物學(xué)概念。筆者擬通過(guò)制作物理模型來(lái)再現(xiàn)難以觀察到的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)錄過(guò)程的認(rèn)識(shí)和理解，并體驗(yàn)具體化的模型的作用。

1教材分析及設(shè)計(jì)思路

“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”為人教版高中生物學(xué)教材《必修2·遺傳與進(jìn)化》第四章第一節(jié)第一課時(shí)的主要內(nèi)容。本節(jié)是在“組成細(xì)胞的分子”和“基因的本質(zhì)”等知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)“基因表達(dá)與性狀的關(guān)系”和“基因工程”等知識(shí)的重要基礎(chǔ)。所以，本節(jié)內(nèi)容具有承上啟下的作用。遺傳信息的轉(zhuǎn)錄對(duì)于學(xué)生理解個(gè)體發(fā)育與分化有十分重要的意義，是本堂課的重點(diǎn)內(nèi)容。RNA如何獲取遺傳信息這一問(wèn)題，學(xué)生接觸少且內(nèi)容抽象，為本堂課的難點(diǎn)內(nèi)容。本教學(xué)設(shè)計(jì)擬通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析研究RNA作為信使的科學(xué)史資料，對(duì)比DNA與RNA的異同，構(gòu)建并展示轉(zhuǎn)錄過(guò)程的模型，以突破教學(xué)中重點(diǎn)和難點(diǎn)，從而在科學(xué)史分析及構(gòu)建模型過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和探究能力，同時(shí)弘揚(yáng)科學(xué)精神。

2教學(xué)目標(biāo)

①概述遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，認(rèn)同生命是物質(zhì)、能量和信息的統(tǒng)一體。

②通過(guò)RNA是信使物質(zhì)的相關(guān)資料分析、推測(cè)與實(shí)證，培養(yǎng)大膽質(zhì)疑精神，發(fā)展科學(xué)思維。

③比較DNA和RAN的異同，歸納RNA作為信使的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，形成結(jié)構(gòu)與功能觀。

④通過(guò)轉(zhuǎn)錄過(guò)程模型制作與展示，理解遺傳信息轉(zhuǎn)錄過(guò)程，培養(yǎng)動(dòng)手操作、合作探究的能力。

3教學(xué)過(guò)程

3.1創(chuàng)設(shè)情境，探究準(zhǔn)備

教師以“新疆棉”事件引出抗蟲(chóng)棉，播放“轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉簡(jiǎn)介”視頻，并提出問(wèn)題：①導(dǎo)入的是基因，為什么會(huì)得到蛋白質(zhì)？②什么是基因？基因在哪里？蛋白質(zhì)在哪里合成？

設(shè)計(jì)意圖：教師以熱點(diǎn)話(huà)題刺激學(xué)生，簡(jiǎn)介“轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉”的發(fā)展?fàn)顩r，既激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又增強(qiáng)了學(xué)生民族自信。學(xué)生溫習(xí)舊知，為探究基因表達(dá)中克服“距離”問(wèn)題做好鋪墊。

3.2資料分析，引導(dǎo)探究

教師提供資料：

①1953年，沃森和克里克收到了著名的理論和天文物理學(xué)家伽莫夫來(lái)信。在信中，他提出了自己的設(shè)想——DNA本身就是蛋白質(zhì)合成的直接模板。

②DNA的直徑約為2 nm，核糖體為圓形顆粒狀，直徑約為23 nm，細(xì)胞核的核孔為0.9 nm。

③1955年，比利時(shí)生物學(xué)家布拉奇特，用洋蔥根尖和變形蟲(chóng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)若加入RNA酶降解細(xì)胞中的RNA，則蛋白質(zhì)合成就停止；若再加入酵母菌的RNA，則又可以合成一些新的蛋白質(zhì)。

④戈德斯坦等科學(xué)家用3H標(biāo)記的尿嘧啶培養(yǎng)液來(lái)培養(yǎng)變形蟲(chóng)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)具有放射性的RNA首先在細(xì)胞核中出現(xiàn)，隨后在細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)。

⑤生物學(xué)家布倫納等人，用噬菌體侵染大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)有一種特異性的RNA被合成，并很快和細(xì)菌的核糖體結(jié)合，隨后合成蛋白質(zhì)。

⑥1961年，施皮格爾曼等科學(xué)家用噬菌體侵染大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)新合成的RNA只與噬菌體DNA中的一條單鏈（通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)）形成DNA-RNA雜交分子。

教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：①如果伽莫夫的設(shè)想是正確的。那么，基因或核糖體可能會(huì)發(fā)生怎樣的位置改變？②你認(rèn)為DNA能否直接作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，為什么？由此，你會(huì)做出怎樣的推測(cè)？③根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，你能作出怎樣的推測(cè)？假如RNA就是DNA的信使物質(zhì)，那么RNA在哪兒合成，RNA將遺傳信息帶到哪里？你將用什么方法驗(yàn)證你的推測(cè)呢？④根據(jù)上述資料④、⑤，可以得出什么結(jié)論？⑤根據(jù)上述資料，推測(cè)RNA是怎樣合成的。⑥RNA是怎樣獲取遺傳信息的呢？

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生基于科學(xué)家的設(shè)想及科學(xué)數(shù)據(jù)，作出推測(cè)——DNA與蛋白質(zhì)之間需要信使；鼓勵(lì)學(xué)生基于科學(xué)事實(shí)進(jìn)行分析并大膽推測(cè)，培養(yǎng)學(xué)生敢于大膽質(zhì)疑精神。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，說(shuō)明RNA可能就是信使物質(zhì)。學(xué)生分析資料，得出RNA在細(xì)胞核內(nèi)合成，并可轉(zhuǎn)移至核糖體的結(jié)論。教師要鼓勵(lì)學(xué)生基于科學(xué)事實(shí)繼續(xù)作出假設(shè)，并提出證明的方法，要向科學(xué)家一樣思考和求證。學(xué)生初步認(rèn)識(shí)RNA作為信使的第二個(gè)條件——能攜帶遺傳信息，并為“轉(zhuǎn)錄的過(guò)程”做好鋪墊。

3.3對(duì)比分析，有理有據(jù)

教師出示表1，引導(dǎo)學(xué)生完成表格，提出問(wèn)題：①?gòu)姆肿哟笮》治?，RNA可作為信使物質(zhì)的可能原因是什么？②從分子結(jié)構(gòu)相似性分析，RNA具備準(zhǔn)確傳遞遺傳信息的可能是什么？

教師展示圖1，引導(dǎo)學(xué)生思考：①你能說(shuō)出DNA-RNA雜交分子中，堿基互補(bǔ)配對(duì)規(guī)律嗎？②基因是如何儲(chǔ)存遺傳信息？假如圖示中DNA堿基序列代表某種遺傳信息，該遺傳信息是否具有特異性？③RNA堿基序列是否具有特異性？請(qǐng)說(shuō)明理由。你能說(shuō)出其生物學(xué)意義嗎？

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比DNA與RNA的異同，認(rèn)同RNA作為信使的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，使學(xué)生理解RNA準(zhǔn)確獲取遺傳信息的生物學(xué)意義，形成結(jié)構(gòu)與功能觀。3.4模型制作，合作探究

學(xué)生閱讀教材圖4-4及相關(guān)文字，提取關(guān)鍵詞，完成轉(zhuǎn)錄過(guò)程的流程圖：→→延伸→。

教師出示材料及用具（圖2），明確制作要求；學(xué)生代表展示模型（圖3），并結(jié)合模型，描述轉(zhuǎn)錄的主要過(guò)程。

教師追問(wèn)：①在模型的制作過(guò)程中，為什么要按從上往下的順序進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對(duì)？②如果RNA聚合酶內(nèi)暴露的堿基完全配對(duì)，但轉(zhuǎn)錄并沒(méi)有完成，接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么？你能推測(cè)RNA聚合酶的作用嗎？③轉(zhuǎn)錄會(huì)以DNA分子的一整條鏈為模板嗎？由此推測(cè)1個(gè)DNA分子轉(zhuǎn)錄是否只能得到1個(gè)RNA分子？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，提煉關(guān)鍵詞，初步了解轉(zhuǎn)錄的大致過(guò)程；分組合作構(gòu)建并展示模型，化抽象為具體，有助于認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)錄過(guò)程；結(jié)合模型回答問(wèn)題，深化對(duì)轉(zhuǎn)錄過(guò)程的理解，有助于理解基因的選擇性表達(dá)。

3.5小結(jié)提煉，落實(shí)概念

教師播放“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”的視頻，引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)。教師促進(jìn)學(xué)生思考：轉(zhuǎn)錄過(guò)程中有哪些物質(zhì)參與？是否需要能量？轉(zhuǎn)錄過(guò)程實(shí)現(xiàn)怎樣的信息傳遞？你怎么理解轉(zhuǎn)錄過(guò)程是物質(zhì)、能量和信息三者的統(tǒng)一？你還能舉出其他類(lèi)似的例子嗎？本節(jié)課，我們學(xué)習(xí)了DNA如何準(zhǔn)確地將遺傳信息傳遞到RNA上，解決了基因表達(dá)的“距離”問(wèn)題。下節(jié)課，我們將一起學(xué)習(xí)mRNA上的信息如何翻譯成蛋白質(zhì)，解決基因表達(dá)的“語(yǔ)言”問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：教師播放視頻，化靜為動(dòng)，直觀地展示轉(zhuǎn)錄過(guò)程；并引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)提煉，強(qiáng)化本節(jié)重要概念。教師利用問(wèn)題串，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同生命是物質(zhì)、能量和信息三者的統(tǒng)一。

4教學(xué)反思

本課教學(xué)中，教師簡(jiǎn)化處理科學(xué)史的原文，利用環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生基于科學(xué)事實(shí)的推測(cè)、實(shí)證等科學(xué)的思維能力及大膽質(zhì)疑的精神。學(xué)生對(duì)比RNA和DNA異同，認(rèn)同RNA在結(jié)構(gòu)上具有攜帶遺傳信息的功能。在教學(xué)時(shí)，教師輔助以圖片、視頻以及引導(dǎo)學(xué)生制作模型等教學(xué)手段，將抽象、微觀的遺傳信息轉(zhuǎn)錄過(guò)程，變得形象而可視化，深化學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)錄過(guò)程的理解；此外，在科學(xué)史資料的分析過(guò)程中，滲透科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神和人文精神。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚永平.高中生物學(xué)新課程中的模型、模型方法及模型建構(gòu)[J].生物學(xué)教學(xué)，2009，34（1）：10-12.

[2]白建秀.“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”一節(jié)的備課思考[J].中學(xué)生物學(xué)，2014，30（6）：30-32.

[3]姚亭秀，趙越.“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”（第一課時(shí)）的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)教學(xué)，2016，41（6）：40-41.

[4]付尊英，劉廣發(fā).普通高中教科書(shū)·生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2019：24.